滿足安全環(huán)保需求的小功率集成的AC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計

標簽：AC/DC轉(zhuǎn)換器 光電耦合器

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步，為系統(tǒng)設(shè)計師、電路設(shè)計師實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新提供了一個先進的技術(shù)平臺，從而有許許多多新穎的、時尚的便攜式電子產(chǎn)品呈現(xiàn)在世人面前，像PDA、3G手機、各種個人電子醫(yī)療保健裝置以及層出不窮的游戲機等等。這些便攜式電子產(chǎn)品大多需要高檔的開關(guān)電源來供電或充電，此外，還有許多先進的便攜式儀器儀表，工控裝置乃至像剃須刀這樣的日常用具也需要開關(guān)電源。正是在這種背景下，PHILIPS推出了STARplug電源IC產(chǎn)品系列。

該系列不但滿足了便攜式電子產(chǎn)品微功耗、高可靠、微小型化等要求，還滿足了使用安全性和環(huán)保的需求。

關(guān)于STARplug產(chǎn)品系列

STARplug有兩個系列，即TEA152X系列和TEA162X系列(見表1)。TEA152X系列是早在2000年9月問世的，TEA162X系列則是對TEA152X系列的改進，并于2004年5月定型的，這兩者在框圖、電路結(jié)構(gòu)、外引線排列及絕大多數(shù)電參數(shù)都是相同的。所不同的僅在芯片內(nèi)部高壓啟動電流源上，TEA152X系列Icharge=1.5mA(典型值)，TEA162X系列Icharge=500uA(典型值)。

注：表1只列出雙列直插式封裝，表貼的未列出。

STARplug采用多芯片結(jié)構(gòu)。所有控制部分用BiCMOS工藝集成在一個芯片上，而功率部分則用EZ-HV工藝做在另一個芯片上，然后在同一個基片上優(yōu)化組合而成。從制造工藝上看，飛利浦采用了先進的全氧化隔離工藝(或稱介質(zhì)隔離工藝)，因此其有以下特點：

1. 可免除鎖定效應(yīng)(鎖定效應(yīng)是CMOS電路特有的一種失效模式);

2. 可以方便地在同一個芯片上實現(xiàn)模擬，數(shù)字和功率電路的集成;

3. 芯片面積也比標準的PN結(jié)隔離要小;

4. 漏電流極低，適于高溫環(huán)境下工作;

5. 寄生電容小，通過襯底產(chǎn)生的串擾和EMC的概率很小;

6. 抵御外部電火花及反極性的能力強。

這些都有利于支撐STARplug的高性能和高可靠性。

從電路設(shè)計上看，一個重要的特點是提出了谷值轉(zhuǎn)換的概念。

一般說來，功率MOS管耗散的功率是開關(guān)電源自身功耗的主要來源。它與電源的可靠性，穩(wěn)定性，效率都密切相關(guān)。功率MOS管的功耗通常由三部分組成：

1. MOS管截止時的功耗，即VDS為高電平的功耗：這個功耗主要由漏極D和源極S之間的漏電流來決定，與芯片制造工藝有關(guān)，IDS(off)通常在微安量級，因此這部分功耗極低，一般可以忽略。

2. MOS管導(dǎo)通時的功耗，即VDS為低電平時的功耗，這個功耗主要決定于漏極和源極之間的導(dǎo)通電阻RDS(on)。這與芯片設(shè)計的幾何參數(shù)有關(guān)。

3. MOS管動態(tài)功耗，即MOS管由截止向?qū)ㄞD(zhuǎn)換，或由導(dǎo)通向截止轉(zhuǎn)換時的功耗。這個功耗可用下式計算：

飛利浦的電路設(shè)計師，分析了上述公式，認識到要降低開關(guān)電源的動態(tài)功耗，只能由降低轉(zhuǎn)換時的VDS和負載下降時的f入手。通常VDS為380V左右，如果利用電路諧振將VDS于谷底(接近于0V)時，使MOS管由截止進入導(dǎo)通，則MOS管的動態(tài)功耗將下降幾個數(shù)量級。為此，在電路設(shè)計上，加上了谷值檢測電路，一旦電路諧振，能正確地測出“谷底”，并在VDS進入“谷底”之時，在柵極G和源極S之間輸入經(jīng)PWM后的脈沖上升沿。

上個世紀90年代的PWM芯片，工作頻率f大多為固定頻率。為了降低功耗，特別是降低待機功率，STARplug采取了可調(diào)變頻率的靈活電路設(shè)計。用戶設(shè)定的頻率為滿載時的工作頻率。當負載下降時，工作頻率也相應(yīng)下降。從而保證了待機功耗低于100mW。

此外，STARplug系列芯片用高壓電流源來啟動，一旦IC進入正常工作狀態(tài)，則高壓電流源將自動切斷，從而減少了電路的功耗。由此可知，電路的整個設(shè)計過程。都貫徹了一條減少功耗的思想，正是因為功率MOS管和控制部份都有效地大幅度地減少了功耗，因此就能夠?qū)⒐β势骷涂刂齐娐?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/集成">集成在一個封裝中，有效地減少了外圍元件。另外為了使電路能可靠地工作，還提供了完善的保護功能，包括了逐個周期過流保護、欠壓鎖定、過壓保護、過溫保護、繞組短路保護、退磁保護。

STARplug功能描述

1. STARplug的結(jié)構(gòu)

圖1是STARplug的內(nèi)部電路框圖。不難看出，圖中包括功率MOS管和控制電路兩大部分。功率MOS管主要用來實現(xiàn)功率的傳輸和轉(zhuǎn)換。而控制電路則肩負三大任務(wù)：

1. 實現(xiàn)所有保護功能的快速反應(yīng)。

2. 谷值電平的準確檢測。

3. 工作周期的控制(即PWM功能)。

圖1：STARplug內(nèi)部電路框圖

STARplug是基于不連續(xù)方式(DCM)反激式拓撲設(shè)計的。有兩種反饋方式：

1.變壓器輔助繞組反饋，(此繞組同時用作IC的供電)(見圖2)。

2.變壓器次級繞組經(jīng)光耦反饋(見圖3)

2. STARplug工作原理(見圖1、圖2)。

交流電源經(jīng)整流濾波后輸出Vdc，經(jīng)變壓器初級加到TEA162X的DRAIN端(第8腳，略稱Dr端)，經(jīng)芯片內(nèi)部的高壓電流源(圖1)，通過Vcc端(第1腳)向電容器C5充電，當C5充電電壓Vc5達到并超過VCC啟動電壓的下限9V時，TEA162X開始工作。

作為TEA162X的第一項工作就是加電清零(見圖1)，使片中邏輯電路處于初始狀態(tài)，MOS功率管處于低電平。變壓器初級電感有電流通過，并逐步加大。與此同時，接在RC腳上的電阻R和電容C使振蕩器產(chǎn)生振蕩。經(jīng)PWM的比較器和驅(qū)動器使MOS功率管由低電平轉(zhuǎn)換到高電平。這時儲存在初級電感和磁芯氣隙中的能量立即傳送到變壓器的次級和輔助繞組。輔助繞組感應(yīng)的交變電壓經(jīng)整流后加到VCC端，當此電壓達到VCC啟動電壓后，則由高壓電流源送來的電流將其中斷，由Vaux取代，使TEA162X繼續(xù)工作。一旦Vaux下降到Vcc啟動電平之下，或進入停止電平時，則TEA162X停止轉(zhuǎn)換，并重新由整流后的電網(wǎng)電壓Vdc啟動。